Topologieoptimierung für nachhaltige Kunststoffbauteile

Annina Schopen,

Weniger ist mehr: Reduzieren statt Recyceln

Nachhaltigkeit bei technischen Kunstsstoffen beginnt nicht erst beim Recylen. Bereits bei der Auslegung der Komponenten ist es entscheidend, nur so viel Material einzusetzen, wie für die optimale Leistungsfähigkeit des Produktes erforderlich ist. Dabei spielt die Topologieoptimierung eine entscheidende Rolle.

© Altair

Technische Kunststoffe sind oft die Werkstoffe der Wahl, wenn es darum geht, die Anforderungen eines komplexen Leichtbauteils zu erfüllen, da sie über Materialeigenschaften verfügen, die eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Gewicht ermöglichen. Allerdings ist die Auslegung solcher Bauteile komplex, da nicht nur die speziellen Werkstoffeigenschaften, sondern auch eine fertigungsgerechte Gestaltung Berücksichtigung finden muss. Im Zuge der automobilen Elektrifizierung machen zudem eine veränderte Innenraumakustik sowie neue Packaging-Anforderungen an Elektrofahrzeuge innovative Ansätze für das strukturelle Design notwendig, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen strukturellen und akustischen Leistungsmerkmalen unter Berücksichtigung von Gewichts- und Kostenlimits zu ermöglichen. Eine ganzheitliche Simulation von technischen Kunststoffen, insbesondere die Vorhersage des Geräusch- und Schwingungsverhaltens (Noise, Vibration, Harshness/NVH) der Bauteile ist daher ein wichtiger Entwicklungsbaustein und sollte bereits in der in der frühen Konzeptphase Grundlage für Material- und Designentscheidungen darstellen.

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Ganzheitlicher Ansatz

Der Auslegungsprozess von strukturell relevanten Kunststoffeinsätzen zur Verbesserung des NVH-Verhaltens einer Rohkarosserie beginnt in der Regel mit der Durchführung von Sensitivitätsanalysen, um die Parameter zu bestimmen, die einen wesentlichen Einfluss auf die Bauteileigenschaften ausüben. Sind die wichtigen Bauteilparameter identifiziert, erfolgt über einen iterativen Optimierungsprozess die Ermittlung des besten Kompromisskonzeptes mit maximaler Leistungsfähigkeit bei geringem Gewicht.

Die Topologieoptimierung ist ein wichtiges Designwerkzeug, das am effektivsten ist, wenn man die Topologie eines Bauteils möglichst früh in der ersten Entwicklungsphase festlegt, um so von Anfang an belastungs- und fertigungsgerechte Designkonzepte zu gewährleisten.

Organisatorische Hindernisse und Transformation

Die Grundlage für die strategische Anwendung der Topologieoptimierung ist eine effiziente Bauraumerzeugung. Diese wird jedoch zum Hindernis, denn zum einen fehlt es oft an geeigneten Werkzeugen und zum anderen führt die Beteiligung mehrerer Abteilungen zu erheblichem Zeitverzug. Um das Potenzial der Topologieoptimierung auszuschöpfen und schnellere und bessere Entscheidungen zu ermöglichen, müssen notwendige Eingangsgrößen jedoch möglichst früh zur Verfügung stehen, und die Barrieren zwischen den Abteilungen CAD Design und CAE müssen fallen.

Prozessbausteine erleichtern und vereinfachen die Anwendung von Topologieoptimierung © Altair

Basierend auf Erkenntnissen aus vielen Projekten, die dazu beigetragen haben, die Prozesse rund um die Topologieoptimierung zu straffen, hat Altair eine Reihe von neuen Prozessbausteinen entwickelt. Diese Prozessbausteine erleichtern und vereinfachen die Anwendung von Topologieoptimierung als strategischen Schlüssel zur Massenreduktion und die Entwicklung von nachhaltigen Komponenten und Systemen. So ergeben sich Zeitersparnisse von bis zu 80 Prozent bei der Modellerstellung und es bleibt mehr Zeit für die Bewertung verschiedener Konstruktionsalternativen und die Verbesserung der technischen Lösung.

Anwendungsbeispiel: Workflow für Struktureinleger

Sika Automotive ist mit ihrem Angebot an Systemen zum Kleben, Dichten, Dämpfen, Verstärken und Schützen sowie Lösungen zur Geräuschreduzierung und Schwingungsdämpfung im Karosseriebau ein wichtiger Entwicklungspartner für Automobilhersteller und -zulieferer.

Bei der Entwicklung von Struktureinlegern erstellt Sika in der Regel einen ersten Entwurf und optimiert dann das Gewicht und das Design, bis der beste Kompromiss mit maximaler Leistung bei minimalem Gewicht erreicht ist. Um ein tieferes Verständnis darüber zu erlangen, wo sie das Material in der Rohkarosserie, dem sogenannten Body in White (BIW) am besten platzieren sollten, verwendet das Team in ihrem Arbeitsablauf Altair Optistruct für Struktur- und NVH-Analysen. Um den Prozess weiter zu optimieren, überprüfte Altair den bisherigen Sika Ansatz für NVH Studien und identifizierte verschiedene Bereiche mit Verbesserungspotenzial.

Zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses empfahlen die Simulationsexperten den Altair Design Space Workflow, den Sika zur Untersuchung einer D-Säule einsetzte. Mit dem bisher etablierten Arbeitsablauf benötigte Sika bis zu 3 Stunden für die Bauraumerstellung, um eine erste Konzeptidee für den D-Säuleneinleger zu generieren. Mit dem neuen Altair Design Space Workflow hingegen definierten die Ingenieure den Bauraum, erstellten ein Voxelmesh, modifizierten die Schnittpunkte und benötigten weniger als 40 Minuten, um die Simulation vorzubereiten.

Mithilfe des Altair Design Space Workflows eliminierten die Sika-Ingenieure zeitaufwändige Arbeitsschritte. © Altair

Mithilfe des Altair Design Space Workflows eliminierten die Sika-Ingenieure zeitaufwändige Arbeitsschritte, so dass sie die erforderlichen Ergebnisse innerhalb von Minuten statt Stunden erzielten und so schnellere Go/No-Go-Entscheidungen in Bezug auf potenzielle Positionen für ihre Reinforcerlösungen im BIW treffen konnten. Da sich die Modellierungszeit um 70 % reduzierte, konnte das Team mehr Zeit investieren, um tiefere Kenntnisse über das Bauteil zu erlangen und es durch Iterationen weiter zu verbessern.

Digitalisierung und Prozessverbesserungen für mehr Nachhaltigkeit

Im Gegensatz zum traditionellen Ansatz reduzieren die beschriebenen Prozesse manuelle Tätigkeiten, vereinheitlichen unterschiedliche Aufgaben aus verschiedenen Abteilungen in einem einzigen Arbeitsablauf und verkürzen die Modellierungszeit um bis zu 70-80 %. Das spart Entwicklungszeit, so dass sich Ingenieurteams auf kreativere Arbeiten konzentrieren können.

Prozessvergleich © Altair

In den genannten Beispielen wurde die Zeitersparnis bei der Modellierung für eine einzige Applikation ermittelt. In der Regel sind jedoch fünf oder mehr Bereiche für den Einsatz von Strukturknoten erforderlich (70 % Einsparung x 5).

Die intensivere Anwendbarkeit der Topologieoptimierung erhöht die Sicherheit beim Entwurf und führt zu Kosten- sowie erheblichen Materialeinsparungen. Insbesondere, wenn eine Weiterentwicklung etablierter Konstruktionen ansteht, um z. B. eine Materialsubstitution zu ermöglichen oder geänderte Belastungs- oder Randbedingungen zu berücksichtigen, ermöglicht der beschriebene Ansatz einen strategischen Einsatz der Topologieoptimierung auf verschiedenen Ebenen der Fahrzeugentwicklung für den nachhaltigen Einsatz von Kunststofflösungen. Getreu dem Motto „Material, das gar nicht erst eingesetzt wurde, muss man auch nicht recyclen“ ist diese Methode ein wichtiger Baustein für die Entwicklung nachhaltiger Kunststofflösungen.

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